《Journal of the Egyptian National Cancer Institute》：Ferroptosis in cancer: molecular mechanisms, tumour microenvironment, therapeutic resistance, and clinical translation
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铁死亡（ferroptosis）是一种由铁依赖性脂质过氧化和氧化性膜损伤驱动的独特形式的调节性细胞死亡（regulated cell death, RCD），其在分子机制和执行途径上与凋亡（apoptosis）、坏死性凋亡（necroptosis）和焦亡（py
铁死亡（ferroptosis）是一种由铁依赖性脂质过氧化和氧化性膜损伤驱动的独特形式的调节性细胞死亡（regulated cell death, RCD），其在分子机制和执行途径上与凋亡（apoptosis）、坏死性凋亡（necroptosis）和焦亡（pyroptosis）存在根本差异。越来越多的证据表明，铁死亡通过调控肿瘤起始、进展、转移、治疗耐药以及肿瘤微环境（tumour microenvironment, TME）内的相互作用，在癌症生物学中发挥关键作用。铁代谢、脂质过氧化、氨基酸代谢以及抗氧化防御系统（包括System Xc?–GSH–GPX4、FSP1–CoQ??、GCH1–BH4和DHODH通路）的失调，共同决定细胞对铁死亡的易感性。近期研究进一步强调了细胞器串扰（organelle crosstalk）、免疫细胞调控和基质相互作用在塑造铁死亡反应及肿瘤演化中的作用。在本综述中，研究人员全面总结了铁死亡的分子机制、其调控信号网络以及推动该领域发展的重大里程碑。研究人员进一步讨论了铁死亡在多种恶性肿瘤中的多面作用、其对上皮–间质转化（epithelial–mesenchymal transition, EMT）、肿瘤侵袭、转移和免疫调节的影响，及其在克服化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗耐药中的新兴意义。此外，研究人员批判性评估了基于铁死亡的治疗策略的最新进展，包括纳米医学、联合治疗和转化研究进展，同时指出了当前面临的临床挑战，如肿瘤异质性、药效学生物标志物有限以及安全性问题。总体而言，铁死亡代表了一种有前景的治疗脆弱性靶点，将基础癌症生物学与精准肿瘤学相连接。持续开发生物标志物指导的患者分层、靶向药物递送系统和合理的联合治疗策略，有望加速基于铁死亡的治疗方案的临床转化，并改善难治性和治疗耐药性癌症患者的预后。
论文主体内容总结
引言
细胞死亡是维持组织完整性和生理稳态的基础生物学过程。哺乳动物的细胞死亡分为意外性细胞死亡（accidental cell death, ACD）和调节性细胞死亡（regulated cell death, RCD），后者受基因调控的信号通路控制，可通过药理学或遗传学干预加以操纵。细胞死亡调控缺陷被公认为癌症的核心标志之一，也是治疗耐药、疾病复发和不良临床结局的主要因素。铁死亡由Brent R. Stockwell实验室于2012年首次描述，是一种由铁依赖性脂质过氧化驱动的独特细胞死亡形式，其执行不依赖caspase、gasdermin D和混合谱系激酶结构域样蛋白（mixed lineage kinase domain-like, MLKL）等经典介质。形态学上，铁死亡以线粒体体积减小、外膜密度增加和嵴丢失或破裂为特征，最典型的细胞水平特征是质膜气球样变：铁死亡细胞逐渐肿胀并呈圆形扩张形态，胞质区域透明且细胞器减少，随后破裂。分子水平上，含多不饱和脂肪酸的磷脂（PUFA-PLs）的氧化积累是铁死亡不可或缺的条件。铁死亡由细胞内亚铁离子积累、活性氧（reactive oxygen species, ROS）过量产生、抗氧化防御受损和脂质过氧化失控协同驱动。值得注意的是，间充质和去分化癌细胞通常对凋亡和传统治疗手段具有耐药性，却对铁死亡表现出显著敏感性，因此铁死亡被认为是癌症治疗尤其是难治性肿瘤的有吸引力的靶点。然而，铁死亡在肿瘤抑制中的作用具有情境依赖性，在某些肿瘤的不同阶段可能表现出矛盾的角色。
铁死亡的调控机制
铁死亡由铁稳态失调和不受控制的脂质过氧化驱动，受多层代谢调控网络、信号级联和细胞器相互作用的介导。
铁代谢：铁是人体中最丰富的微量元素，参与血红素合成、铁硫簇生物发生、线粒体呼吸等多种生理过程。三价铁与转铁蛋白结合后通过转铁蛋白受体（transferrin receptor, TFR）内化，在内涵体内由STEAP3还原为二价铁，过量铁储存在铁蛋白中，铁转运蛋白（ferroportin）作为主要铁输出蛋白维持全身铁平衡。该稳态网络被破坏会增加细胞内不稳定二价铁池，促进Fenton及类Fenton反应产生过量ROS，启动脂质过氧化并损害膜完整性。线粒体是细胞内铁利用的主要场所，线粒体铁过载显著增强线粒体ROS产生，促进铁死亡。二价铁还是脂氧合酶（lipoxygenases, LOXs）和细胞色素P450还原酶–细胞色素P450（POR–CYP）系统的必需辅因子，可加速磷脂过氧化。
System Xc?与氨基酸代谢：System Xc?–GSH轴是调控铁死亡的主要抗氧化防御机制之一。System Xc?由溶质载体家族7成员11（SLC7A11/xCT）和溶质载体家族3成员2（SLC3A2/CD98）组成的异二聚体，通过交换胞外胱氨酸和胞内谷氨酸维持细胞内氧化还原稳态。胱氨酸被还原为半胱氨酸后作为谷胱甘肽（glutathione, GSH）生物合成的主要底物。新合成的GSH与谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4, GPX4）协同中和ROS和磷脂氢过氧化物。GPX4的抗氧化活性依赖于通过甲羟戊酸（mevalonate, MVA）通路掺入硒代半胱氨酸。谷氨酰胺代谢也影响铁死亡易感性，谷氨酰胺通过SLC1A5/SLC38A1导入后被转化为α-酮戊二酸，支持三羧酸循环活性、脂质代谢和铁稳态。
中心碳代谢与还原当量供应：NADPH是铁死亡调控的共同货币：它再生GPX4所需的谷胱甘肽，供应FSP1介导的泛醌还原，并支持甲羟戊酸通路和脂肪酸合成。基础NADPH丰度可预测癌细胞系对铁死亡的敏感性。线粒体和三羧酸循环活性以情境依赖方式影响这一平衡。谷氨酰胺分解是胱氨酸剥夺诱导铁死亡执行所必需的，转铁蛋白介导的铁递送是协同必需信号。氧化磷酸化升高增加线粒体ROS并增强铁死亡，而三羧酸循环酶缺失则赋予对胱氨酸剥夺诱导死亡的抵抗。能量应激增加了一层额外调控：营养限制下AMPK激活通过抑制多不饱和脂肪酸合成来抑制铁死亡。甲硫氨酸循环和转硫途径在System Xc?被抑制时提供替代性半胱氨酸供应，丝氨酸来源的一碳通量有助于NADPH再生。核苷酸代谢通过DHODH与铁死亡相关联，DHODH将从头嘧啶合成与线粒体CoQ??还原偶联。
脂质代谢与替代通路：脂质过氧化是铁死亡的定义性生化事件，多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）是其底物。花生四烯酸（arachidonic acid, AA）和肾上腺酸（adrenic acid, ADA）首先被长链脂酰辅酶A合成酶家族成员4（ACSL4）激活，随后由溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3（LPCAT3）掺入膜磷脂。氧化通过非酶促Fenton化学和LOXs及POR介导的酶促途径发生，产生磷脂氢过氧化物。次级脂质过氧化产物包括丙二醛（malondialdehyde, MDA）和4-羟基壬烯醛（4-HNE），可进一步传播氧化应激和炎症信号。除System Xc?–GSH–GPX4轴外，细胞还采用多种抗氧化防御和膜修复机制。铁死亡抑制蛋白1（FSP1）经N端豆蔻酰化后转位至质膜和脂滴，利用NAD(P)H将泛醌（CoQ??）和维生素K还原为强效自由基捕获抗氧化剂。线粒体内二氢乳清酸脱氢酶（DHODH）在嘧啶生物合成过程中将电子转移至CoQ??，抑制线粒体铁死亡。GTP环化水解酶1（GCH1）生成四氢生物蝶呤（BH4），限制脂质过氧化并促进CoQ??生物合成。膜修复机制包括ESCRT-III和iPLA2β。单不饱和脂肪酸和饱和脂肪酸通过与PUFAs竞争膜掺入降低磷脂易感性，氘代PUFAs因化学稳定性增强而抵抗脂质过氧化。
铁死亡防御网络的架构：条件性层级下的平行分支：上述四种系统以空间分隔的部分冗余网络形式存在，在条件性、损伤依赖性层级下运作。FSP1与GPX4平行作用而非下游作用，即使在GPX4完全缺失时仍能维持细胞存活。依赖性是有条件的：BH4在GPX4抑制下变得必需，但在胱氨酸剥夺下则不然。GPX4在胞质和线粒体中起作用，FSP1在非线粒体膜上起作用，DHODH在线粒体内膜中起作用。转录层面，NRF2协调多个分支，KEAP1失活的肺癌上调CoQ–FSP1轴，驱动铁死亡和放射抵抗。由于各分支独立调控，抑制一个分支会暴露对另一分支的依赖性：在部分致死性GPX4抑制中存活的持久细胞对FSP1抑制变得选择性敏感。因此联合设计至关重要：GPX4和FSP1共抑制在多种癌症中具有协同效应，FSP1抑制剂已明确开发用于联合治疗而非单药治疗。
铁死亡中的细胞器串扰
铁死亡受线粒体、溶酶体、内质网、高尔基体和过氧化物酶体等多种细胞器调控。
线粒体：线粒体是铁死亡的核心调控者，因其在铁代谢、脂质代谢、氨基酸利用、能量产生和线粒体自噬中的重要作用。线粒体铁稳态通过MFRN1/2、VDAC和piezo1等转运体维持，线粒体铁蛋白和铁蛋白自噬动态调控铁储存与释放。线粒体脂质组成影响铁死亡敏感性，PC-PUFA?和心磷脂促进脂质过氧化，而7-脱氢胆固醇限制磷脂自由基传播。代谢状态进一步决定铁死亡敏感性，SLC25A1增强乙酰辅酶A产生和铁死亡抵抗，而半胱氨酸剥夺或氧化磷酸化升高诱导线粒体超极化并增强铁死亡信号。线粒体DNA损伤激活cGAS–STING通路，线粒体钙过载加速铁死亡。治疗上，三氧化二砷（ATO）与柳氮磺吡啶联合已显示协同诱导线粒体铁死亡。
溶酶体：溶酶体通过铁蛋白自噬调控铁死亡。核受体共激活因子4（NCOA4）将铁蛋白递送至溶酶体降解，释放细胞内游离铁。NCOA4缺失损害铁蛋白降解，减少不稳定铁池，降低铁死亡敏感性。溶酶体组织蛋白酶尤其是组织蛋白酶B从溶酶体转位至细胞核，促进DNA损伤和STING1依赖性铁死亡。自噬接头蛋白SQSTM1/p62通过介导铁输出蛋白FPN1的溶酶体降解增强铁死亡，促进铁死亡执行所需的细胞内铁积累。
高尔基体：高尔基体应激是当高尔基体功能容量不足以满足细胞需求时激活的适应性反应。应激诱导剂如布雷菲德菌素A破坏高尔基体稳态，促进脂质过氧化和铁死亡。在HeLa细胞中，高尔基体应激诱导剂触发铁死亡，而SLC7A11或GPX4过表达以及ACSL4耗竭可有效抑制该反应。药理学铁死亡抑制剂不仅能防止细胞死亡，还能在高尔基体应激后保持高尔基体结构并恢复蛋白分泌。
内质网：内质网富含多不饱和脂肪酸，是铁死亡期间脂质过氧化的主要细胞内位点之一。内质网应激通过诱导铁调节蛋白和铁蛋白自噬调控铁代谢，影响铁死亡易感性。ATF4对铁死亡具有情境依赖效应，内质网应激通过抑制MARCH6稳定ACSL4，促进磷脂过氧化。内质网与线粒体的紧密功能偶联通过IP3R–GRP75–VDAC1–MCU信号轴放大铁死亡。脂滴起源于内质网，通过酯化过量PUFAs限制脂质过氧化，保护细胞免受铁死亡。许多耐药肿瘤细胞积累脂滴以逃避铁死亡。
铁死亡研究的重大里程碑
尽管铁死亡这一术语于2012年才正式提出，其科学基础历经数十年研究建立。铁诱导毒性早在1908年即有记载，1955年的研究确立胱氨酸对培养哺乳动物细胞存活不可或缺。1977年Bannai等人报道胱氨酸剥夺通过GSH耗竭诱导细胞死亡，可被维生素E预防；后续工作鉴定System Xc?为胱氨酸–谷氨酸反向转运体。1982年GPX4被鉴定为GSH依赖性硒蛋白，证明其在防止膜脂质过氧化中的关键作用。1989年谷氨酸诱导细胞毒性被归因于胱氨酸摄取阻断、GSH耗竭和氧化性死亡。2001年提出的oxytosis概念与铁死亡共享ROS产生、GSH耗竭、ALOX激活和铁螯合剂敏感性等特征。2003年erastin作为首个能够诱导非凋亡性细胞死亡的小分子被发现，通过抑制System Xc?发挥作用。2008年RSL3被鉴定为通过直接抑制GPX4触发铁依赖性细胞死亡的小分子。2012年Stockwell团队正式将铁死亡定义为铁依赖性、脂质过氧化驱动的调节性细胞死亡形式。2014年GPX4被确认为erastin和RSL3诱导铁死亡的核心调控者，liproxstatin-1被鉴定为强效铁死亡抑制剂。2015年全基因组插入诱变揭示ACSL4和LPCAT3是铁死亡敏感性的不可或缺决定因素，p53通过抑制SLC7A11表达增强铁死亡。2016年铁死亡与ALOX介导的PUFA氧化相关联，GPX4的催化硒代半胱氨酸被证明至关重要，FIN56被报道可降解GPX4并通过甲羟戊酸通路耗竭辅酶Q??。2017年ACSL4被鉴定为催化花生四烯酸和肾上腺酸掺入磷脂酰乙醇胺的必需执行者。
